[發明專利]一種煤層氣水平井塌孔造洞穴卸壓開采模擬試驗方法

有效

• 申請號: 201811266369.1
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109630099B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 劉世奇;王冉;桑樹勛;曹麗文;黃華州;周效志;王鶴;王海文;劉長江;劉會虎;李自成;徐宏杰;賈金龍;高德燚;方輝煌
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00;E21B47/00;E21B43/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

1.一種煤層氣水平井塌孔造洞穴卸壓開采模擬試驗方法，其特征在于，由煤系地層結構重構與相似材料模擬子系統模擬實際構造煤儲層；由壓力脈動激勵卸壓模擬子系統進行水平井壓力脈動激勵和應力釋放，并水力驅替煤-液-氣混合物沿卸壓空間向直井段運移；由電模擬子系統對相似材料內的電場進行模擬測量；由產出物分離檢測子系統進行煤、液、氣分離并稱重，由數據采集控制子系統實時檢測、控制試驗設備運轉和實施過程，實現試驗數據的采集、顯示和處理分析；具體步驟如下：

1)根據錄井、測井數據，確定試驗模擬地層層序及基礎性質，包括巖性、力學性質、含水性、孔隙特征；

根據相似性原理，計算試驗模擬地層相似材料特性，包括厚度、密度、力學性質、含水性、滲透性、孔隙度；計算試驗模擬的水平井及直井的長度和井徑；

采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、貝殼粉、膠結劑作為主材料，制作相似材料，并對其進行測試，考察所配比的相似材料是否與計算所得的相似材料特征一致，如不一致，則改變配比重新配置相似材料，直至二者一致；

根據地層層序及相似性原理計算所得的煤及巖層厚度，按照調整好的相似材料配比，在樣品倉(4.1)內自上而下鋪設頂層相似材料巖層、相似材料煤層和底層相似材料巖層，同時布置應力傳感器、溫度傳感器、應變測量儀和飽和度探針，并根據實際含水性對相似材料進行潤濕，鋪設時預留U型井空間，并將井下噴射系統埋入預留的水平井空間，井下噴射系統及其管柱包裹銅帶，在樣品倉(4.1)內壁鋪設銅帶；

2)布置好各個設備的位置并將設備連接；將樣品倉(4.1)置于恒溫房內預熱，達到試驗設計溫度；

打開閥門一(1.51)、閥門四(1.54)、閥門六(1.56)、閥門七(1.57)、閥門九(1.59)和閥門十六(2.87)，向樣品倉(4.1)內相似材料煤層井內注入He至試驗設計壓力，同時開啟X方向液壓伺服站(4.22)、Y方向液壓伺服站(4.23)和Z方向液壓伺服站(4.21)，向樣品倉(4.1)增加圍壓至試驗設計壓力；檢查裝置的氣密性；若氣密性合格，進行下一步驟；若氣密性不合格，重復步驟1)和步驟2)；

3)關閉閥門一(1.51)，再打開閥門十(2.81)、閥門十三(2.84)、閥門十七(2.88)、閥門十八(5.1)和閥門十九(6.6)，啟動真空泵(5)，卸掉整個試驗系統管路內部的He并對系統抽真空；

4)關閉閥門十(2.81)、閥門十三(2.84)、閥門十七(2.88)、閥門十八(5.1)和閥門十九(6.6)，打開閥門二(1.52)或閥門三(1.53)，向樣品倉(4.1)內相似材料煤層內注入CO₂或CH₄至樣品倉(4.1)內氣體壓力穩定在試驗設計壓力，同時，開啟X方向液壓伺服站(4.22)、Y方向液壓伺服站(4.23)和Z方向液壓伺服站(4.21)，向樣品倉(4.1)增加圍壓至試驗設計壓力；

5)關閉所有閥門，并使空壓機(1.6)和增壓泵(1.7)停止工作；打開閥門十(2.81)、閥門十三(2.84)和閥門十七(2.88)；啟動液壓泵(2.2)向液壓缸(2.4)和沖擊壓力腔(2.7)內注入液體，離合器工作，液壓缸(2.4)活塞桿帶動導桿(2.51)向左移動壓縮高模量彈簧(2.5)，當位移傳感器一(2.6)檢測到的高模量彈簧(2.5)的壓縮度達到實驗設計壓縮長度時，離合器停止工作，導桿(2.51)與液壓缸(2.4)的活塞桿脫離，高模量彈簧(2.5)的回復力使沖擊活塞(2.71)快速右移，對沖擊壓力腔(2.7)內的液體形成瞬間脈沖動力；高模量彈簧(2.5)回復力釋放完成后，液壓缸(2.4)活塞桿右移，離合器工作，導桿(2.51)與液壓缸(2.4)活塞桿接合并隨之向左移動重復壓縮彈簧及釋放脈沖動力的過程，使沖擊壓力腔(2.7)內的液體以試驗設計的脈沖頻率、壓力、速率由井下噴射系統注入到相似材料煤層的水平井內，對相似材料煤層進行切割、破碎，造成相似材料煤層的水平井水平段空間坍塌破壞形成卸壓洞穴，并驅替氣-液-煤混合物向直井段運移；同時，由應變測量儀、溫度傳感器、壓力傳感器和飽和度探針測量相似材料煤層內部應力應變、溫度、壓力和飽和度變化，由測量裝置(3.2)測量相似材料內部的電位變化；

6)關閉所有閥門，并使液壓泵(2.2)停止工作；打開閥門十九(6.6)，將相似材料煤層井下的煤-液-氣混合物舉升到井外進入氣液固分離器(6.1)中，分離出的煤層氣、激勵液和煤粉分別進入氣體收集瓶(6.7)、電子天平稱重裝置一(6.4)和電子天平稱重裝置二(6.5)中；

7)試驗結束后，卸掉樣品倉(4.1)中的氣體和加載的圍壓，拆卸管路，打開樣品倉(4.1)，取出試驗后的相似材料、井下噴射系統、傳感器、測量儀及探針，清洗樣品倉(4.1)內部。